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超硬高速钢在冷作模具上的应用
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中国正在成为世界制造业大国和强国,自“九五”以来,大陆模具工业产值平均每年以13%的速度递增。模具工业快速发展,拉动模具钢需求。随着世界模具业不断向高技术含量方向发展及少无切削和精密成形技术在我国的快速普及,未来对模具材料的性能要求越来越高,如数控冲床用冷冲模具由于冲速快,对模具材料的耐磨性,耐冲击性提出了更高的要求,长期沿用的老钢种已不能完全满足要求。为此,国内一些大学、研究所、钢厂和模具使用单位相继开发研制了一批高质量、高性能、多品种的国产模具材料,使国内模具的使用寿命得到了很大提高,并使我国模具钢的钢种系列逐渐得到了补充和完善。
表1 V3N的化学成分
C W Mo Cr V N
1.21 11.88 2.95 4.00 2.87 0.075
模具寿命和使用效果将影响到制造业的生产成本与产品升级。但是,目前在我国的许多企业中,模具的使用寿命还比较低,仅相当于国外的1/3~1/5。据统计,由于模具寿命低而造成的钢材工时和能源浪费,以及对产品质量影响所带来的损失,每年达数十亿人民币。
影响模具的寿命因素有模具材料、材料热处理和表面处理以及模具制造工艺。 实践证明,在模具设计和制造过程中,若能选用恰当的钢材,确定合理的热处理工艺,妥善安排工艺路线,对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。

一、模具新钢种——超硬型高速钢

研究和发展模具新钢种,是改善和提高模具钢的强韧性,延长模具的使用寿命的重要途径。我国模具工业在迅速发展,我国的材料工作者在借鉴国外先进技术的基础上结合本国资源情况和特点,引进和研制了不少新型模具钢。经过生产上的考核筛选,一些性能优异、工艺性能也比较好的钢种受到模具制造和使用单位的欢迎,使模具的使用寿命达到甚至超过国内外同类模具的水平,如北京钢铁学院与大冶钢厂研制的无Co超硬高速钢W12Cr4Mo3V3N(简称V3N)的各项性能优良,获中华人民共和国国家发明奖,中华人民共和国专利(91102252), V3N模具性能比现用普通高速钢提高2~10倍,相当于国际市场现用含10%Co的高速钢,已较成功地推广应用在工模具生产中,可使寿命成倍增加。

二、V3N成分及性能特点

W12Cr4Mo3V3N(简称V3N)是钨-钼系含氮无钴超硬型高速钢,V3N的设计成分见表1。
新型超硬高速钢V3N成分设计特点是:
  1. 高C: C对冷作模具钢的强韧性、耐磨性有决定性的影响。含碳量增加,则抗压强度及耐磨性增加。因此,抗冲击及高强韧冷作模具钢含碳量较高。
  2. 高V: V强烈细化晶粒,强烈提高耐磨性、红硬性及二次硬化能力。但含量过多会明显恶化可锻性及磨削性。
  3. 含N:N可细化晶粒,又有析出强化的作用,且机械性能及焊接性能都较好。
主要技术性能:V3N钢具有硬度高、耐磨性好、高的红硬性和一定的韧性,在冷作模具钢上应用效果十分显著。该钢与含钴高速钢相比,价格低廉且易加工,通过适当的热处理,可得到高硬度(HRC67~70)、高红硬性(625℃4小时,HRC63~65)和高耐磨性,韧性和抗弯强度均不低于普通型高速钢,可克服模具刃口塌陷和崩裂等早期损坏。

三、V3N钢模具的加工工艺

模具热处理方法和加工工艺的选择同样要根据模具的工作条件、失效方式和对性能的不同要求来确定。应不断改善热处理设备,改进热处理工艺,使材料的强度、韧性得到最佳配合,并严格遵循热处理工艺,控制加热温度、时间、冷却速度,从而保证模具的使用性能。
  1. 锻造
    V3N钢含有大量的一次碳化物和二次碳化物,若保留在淬火组织中,将急剧降低模具所有寿命。只有通过对原材料改锻,击碎碳化物,才能使其呈细小、均匀的形貌分布于钢基体,提高整体力学性能。
    V3N钢导热性差,锻坯加热时应充分预热,始锻温度1170℃,终锻温度950℃,设备可采用250kg(小件)和400kg空气锤,开始采用轻锤快打,中间用重锤打,最后慢打轻打,锻后于石棉粉箱中缓冷取出后即进行退火处理。
  2. 锻后退火
    可采用等温退火(见图1)或普通退火(见图2)
  3. 机械加工
    锻后硬度较高,采用等温或普通退火后,机加可顺利进行,淬火后因工硬度较高,故工件成型磨削难度较大,可采用镨铌刚玉加铬制作的砂轮进行磨削。
  4. 热处理工艺
    V3N钢在1220~1230℃淬火时,由于存在未熔碳化物,硬度偏低,系淬火温度不足;在1260~1270℃淬火时,晶粒明显过大,系过热现象。选择1230~1240℃淬火加热温度既能使碳化物和合金元素充分溶解到奥氏体中去,又能保持较细晶粒(10~10级)。
    V3N超硬高速钢模具部件采用1220~1230℃经550℃四次回火(见图3),硬度可控制在HRC64~67,具体可根据零件尺寸的大小从热处理工艺上进行调整,达到硬度和强度较理想的配合,V3N超硬高速钢与强韧性关系如下表2所示。
    V3N超硬型高速钢淬火后有较多残余奥氏体,据测定约为25%~30%,必须尽量消除减少,为此进行多次高温回火使之发生马氏体转变。进行4次高温回火后,大部分残余奥氏体发生了马氏体转变,产生二次硬化效应。V3N钢二次硬化效应温度比普通高速钢高30~40℃,这一特性十分宝贵,表明V3N钢有更高红硬性。
  5. 精加工后的深冷处理
    经深冷处理后,由于残留奥氏体向马氏体转变以及超细碳化物的析出,模具零件硬度和耐磨性将进一步改善,耐磨性可提高40%,既缩短回火时间节省了能量,又明显提高了模具使用寿命。
    高速钢模具深冷处理工艺过程为:模具除油污→放入保温罐中→少量多次注入液氮(196℃)→保温浸泡2.5h→取出模具迅速放入60~70℃热水中。
表2 V3N钢淬火温度与韧性关系
性能 1200℃ 1220℃ 1240℃ 1260℃ 1270℃
sbb(MPa) 2900 2700 2400 1900 1600
ak(J/cm2) 44 36 27 15 10
晶粒度(级) 11 10.7 10.2 9.5 9.0

四、V3N钢在冷作模具的应用与效果

V3N超硬冷作模具寿命均比 Cr12MoV、Cr12等常用模具寿命提高3~5倍,比现用普通高速钢提高2~10倍,经济效益更为显著,V3N钢制模具性能相当于国际市场现用含10%Co的高速钢。
某厂硅钢片冲模原来都是采用CrWMn、Cr12MoV等铬钢制作的,但由于硅钢等硬面脆,故模具耗损量大,采用V3N钢制作模具,经济效果明显,表3为冲模寿命对比。
表3 不同材料硅钢片重模寿命对比
材料 单位工作日
刃磨次数
刃磨一次
的冲数
总寿命 寿命比 模具制造费用
CrWMn
Cr12MoV
四次 2000-3000 3-5万 1 6000元
V3N 一次 4-5万 130万 20 400元

五、结语

  1. V3N超硬高速钢各项性能优良,适合加工冲裁模等冷作模具,寿命显著提高。
  2. V3N钢热加工工艺较严格,1220~1230℃淬火,550℃4次1小时回火,精加工后再经深冷处理可获得高硬度、高耐磨性和良好的韧性配合,使用过程中还可定期对凹模进行去应力回火以延长寿命。

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